[发明专利]一种添加剂在紫精系水相有机液流电池中的应用

说明书

本发明公开了一种添加剂在紫精系水相有机液流电池中的应用，所述添加剂为外段亲水，内部为疏水空腔的环状分子，优选为β‑环糊精及它的衍生物。针对紫精类电解液的二电子还原态在水溶液中不稳定、紫精系水相有机液流电池循环稳定性差的问题，本发明开发添加剂包覆法应用于紫精系水相有机液流电池，该添加剂廉价易得、绿色环保，将其应用于紫精类电解液，可显著提高紫精系水相有机液流电池循环稳定性。

技术领域

本发明属于液流电池储能技术领域，具体涉及一种添加剂在紫精系水相有机液流电池中的应用。

背景技术

随着经济社会发展，对能源的需求日益增加。传统化石燃料的消耗势必会带来严重的全球环境和气候的问题，人们不得不把能源消费转向清洁能源。近些年，太阳能、风能等可再生能源的发电量日益增长，但是由于这些能源普遍具有间歇性的特点，难以直接消纳。因此，迫切需要大规模储能技术对电网发电进行削峰填谷、能量储存，以平衡能源供应和用户需求的波动。水相氧化还原液流电池是大规模能量储存的重要候选者之一。

目前，无机液流电池发展比较成熟，其中的全钒液流电池和铁铬液流电池已经处于商业化示范阶段。但是，无机液流电池受限于资源问题且需要昂贵的催化剂、成本较高，阻碍了其进一步大规模使用，因此我们必须要发展新型的电活性分子。与无机体系相比，水相有机液流电池展现出诸多优势和巨大潜力：(1)水溶性有机分子作为电活性材料，其来源丰富，具有快速的氧化还原动力学和较低的交叉污染；(2)更重要的是，可以通过合理的分子结构工程与设计，调节有机电活性分子的物化和电化学性质，包括溶解度和氧化还原电势等。

紫精类电活性分子具有来源广泛、一至两个电子存储的能力，快速的电子转移速率等优点，受到广泛关注。然而，紫精及其衍生物在氧化还原过程中，还原态的不稳定限制了其应用，比如紫精一电子还原态是自由基阳离子结构，会发生自由基的二聚，导致库伦效率降低；紫精二电子还原态是疏水的多烯结构，会从水溶液中析出；另外，紫精二电子还原态是Lewis 碱，容易发生质子化，进而导致不可逆的衰减。针对以上问题，通常采用分子工程对紫精及其衍生物进行改性，比如在紫精的N位接枝带电荷基团，可以通过电荷排斥效应，抑制紫精自由基的二聚，同时也可以增加紫精二电子还原态的亲水性，抑制紫精还原态分子的析出；还可以通过在紫精两个吡啶环中间桥连共轭基团，削弱紫精二电子还原态的Lewis碱性。

分子工程涉及到分子合成，一些分子的合成条件苛刻(高温高压，多步骤合成)、合成成本高(昂贵的原料、催化剂)。近些年，超分子化学为解决以上问题提供了新思路。Lu等人加入α-环糊精，通过α-环糊精与紫精自由基之间相互作用，抑制紫精自由基的二聚，提升了液流电池循环寿命，但是加入α-环糊精无法稳定紫精二电子还原态，对可二电子充放电的紫精类电活性分子理论容量只利用了一半(L.Liu,Y.X.Yao,Z.Y.Wang,Y.C.Lu,Viologenradical stabilization by molecular spectators for aqueous organic redox flowbatteries,Nano Energy, 84(2021),105897.)。

发明内容

为了解决上述问题，本发明目的在于提供一种添加剂在紫精系水相有机液流电池中的应用，具体为一种添加剂在紫精系水相有机液流电池负极电解液中的应用，通过β-环糊精与紫精类电活性分子二电子还原态形成主客体包合物，减缓紫精类电活性分子二电子还原态被质子进攻速率，以提高紫精系水相有机液流电池的循环稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：